RU185725U1 - MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS - Google Patents
MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS Download PDFInfo
- Publication number
- RU185725U1 RU185725U1 RU2018123941U RU2018123941U RU185725U1 RU 185725 U1 RU185725 U1 RU 185725U1 RU 2018123941 U RU2018123941 U RU 2018123941U RU 2018123941 U RU2018123941 U RU 2018123941U RU 185725 U1 RU185725 U1 RU 185725U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- microwave
- rod
- polymer composite
- electrodynamic system
- waveguide
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
- H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
- H05B6/64—Heating using microwaves
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Processing And Handling Of Plastics And Other Materials For Molding In General (AREA)
- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам СВЧ нагрева и может быть использована для термообработки полимерных композиционных материалов, в частности стержней из стекловолокна и полимерного термореактивного эпоксидного связующего для стеклопластиковой арматуры.В микроволновом устройстве для термообработки полимерных композиционных материалов, включающем источник микроволнового излучения, устройство для поглощения избыточной энергии и соединенную с источником микроволнового излучения и устройством для поглощения избыточной энергии электродинамическую систему, оснащенную на входе и выходе шлюзами, камеру нагрева, протяженную через электродинамическую систему, согласно предложенной полезной модели, электродинамическая система выполнена в виде работающего на основном типе волны Н10 волновода прямоугольного сечения, изогнутого в форме меандра, при этом длинные волноводные отрезки линии меандра плотно прилегают друг к другу, шлюзы на входе и выходе электродинамической системы выполнены в виде запредельных круглых волноводов, камера нагрева выполнена в виде диэлектрической трубы из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, предпочтительно выполнена из фторопласта. Диэлектрическая труба проходит через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно его узким стенкам.Техническим результатом является формирование равномерного без перепадов распределения температуры по всему объему обрабатываемого материала стержня за счет увеличения площади взаимодействия микроволнового излучения и материала стержня и предотвращения теплоотдачи в окружающее пространство, что обеспечивается предложенным конструктивным выполнением устройства.The invention relates to microwave heating devices and can be used for heat treatment of polymer composite materials, in particular fiberglass rods and a polymer thermosetting epoxy binder for fiberglass reinforcement. In a microwave device for heat treatment of polymer composite materials, including a microwave radiation source, a device for absorbing excess energy and connected to a microwave source and device for absorbing excess energy and an electrodynamic system equipped with gateways at the inlet and outlet, a heating chamber extended through the electrodynamic system, according to the proposed utility model, the electrodynamic system is made in the form of a rectangular waveguide operating on the main type of wave H10, curved in the shape of a meander, with long waveguide line segments the meander is tightly adjacent to each other, the gateways at the inlet and outlet of the electrodynamic system are made in the form of transcendent circular waveguides, the heating chamber is made in the form of a dielectric ctric pipes of insulating material with low dielectric losses, preferably made of fluoroplastic. The dielectric tube passes through the middle of a wide wall of a rectangular waveguide parallel to its narrow walls. The technical result is the formation of a uniform temperature distribution over the entire volume of the processed material of the rod, without any differences, by increasing the area of interaction of microwave radiation and the material of the rod and preventing heat transfer to the surrounding space, which is ensured by the proposed constructive implementation of the device.
Description
Полезная модель относится к устройствам СВЧ нагрева и может быть использована для термообработки полимерных композиционных материалов, в частности стержней из стекловолокна и полимерного термореактивного эпоксидного связующего для стеклопластиковой арматуры.The invention relates to microwave heating devices and can be used for heat treatment of polymer composite materials, in particular fiberglass rods and a thermosetting polymer epoxy binder for fiberglass reinforcement.
В строительной индустрии широкое распространение получила стеклопластиковая арматура, которая обладает малым удельным весом, высокой химической стойкостью и прочностью, не подвержена коррозии и имеет низкую теплопроводность.Fiberglass reinforcement, which has a low specific gravity, high chemical resistance and strength, is not susceptible to corrosion and has low thermal conductivity, has become widespread in the construction industry.
Традиционные технологии тепловой обработки полимерных композиционных материалов основаны на конвективном, радиационном или контактном теплообмене между обрабатываемым материалом и теплоносителем. Однако, полимерные композиционные материалы обладают низкой теплопроводностью и возникающие градиенты (перепады) температуры в обрабатываемом материале делают традиционный технологический процесс тепловой обработки весьма длительным с большими затратами электрической энергии и могут приводить к неоднородности структуры материала получаемых изделий.Traditional technologies of heat treatment of polymer composite materials are based on convective, radiation or contact heat transfer between the processed material and the heat carrier. However, polymer composite materials have low thermal conductivity and the resulting temperature gradients (differences) in the material being processed make the traditional heat treatment process very long with high electrical energy costs and can lead to heterogeneous material structure of the products obtained.
Благодаря объемному характеру микроволнового нагрева, можно с использованием различных конструкций, например, волноводных систем, сформировать в заданной конфигурации обрабатываемого материала (в виде стержней) равномерное распределение температуры по поперечному сечению и избавиться от градиентов (перепадов) температуры, которые имеют место в традиционных методах нагрева. Это преимущество микроволнового метода нагрева позволяет обеспечить однородную структуру обрабатываемого материала и увеличить скорость технологического процесса.Due to the volume nature of microwave heating, it is possible, using various designs, for example, waveguide systems, to form a uniform temperature distribution over the cross section in a given configuration of the processed material (in the form of rods) and get rid of temperature gradients (drops) that occur in traditional heating methods . This advantage of the microwave heating method allows to ensure a homogeneous structure of the processed material and increase the speed of the process.
Технология производства стеклопластиковой арматуры предполагает процесс нагрева термореактивного полимерного эпоксидного связующего до температуры +(180-200)°С, а затем осуществить процесс отверждения связующего при заданной температуре в течение времени, которое для этого необходимо. Время отверждения зависит от скорости движение нагретого материала стержня в микроволновой установке и его диаметра. При отверждении материал стержня приобретает необходимые физико-механические характеристики. При этом полимерное эпоксидное связующее приобретает более высокую плотность и прочность получаемых изделий по сравнению с традиционными методами тепловой обработки, а также позволяет ускорять многие химические реакции, в частности, реакции полимеризации. Микроволновый метод нагрева не обладает инерцией, что позволяет с необходимой точностью осуществлять контроль и автоматизировать технологический процесс отверждения полимерного композиционного материала.The production technology of fiberglass reinforcement involves the process of heating a thermosetting polymer epoxy binder to a temperature of + (180-200) ° C, and then carry out the curing process of the binder at a given temperature for the time that is required for this. The curing time depends on the speed of movement of the heated material of the rod in the microwave installation and its diameter. During curing, the core material acquires the necessary physical and mechanical characteristics. In this case, the polymeric epoxy binder acquires a higher density and strength of the obtained products in comparison with traditional methods of heat treatment, and also allows you to accelerate many chemical reactions, in particular, polymerization reactions. The microwave heating method does not have inertia, which allows the necessary accuracy to control and automate the curing process of the polymer composite material.
Известно устройство для электромагнитной обработки сыпучих материалов. Устройство содержит узел загрузки, вибрационный механизм, протяженную камеру нагрева, волновод в форме меандра, многократно пересеченного камерой нагрева, выполненной из прозрачного для СВЧ материала и установленной под углом к горизонтальной плоскости. (Патент РФ №2080747, МПК Н05В 6/64, опубл. 27.05.1997 г.).A device for the electromagnetic processing of bulk materials. The device comprises a loading unit, a vibration mechanism, an extended heating chamber, a waveguide in the shape of a meander repeatedly crossed by a heating chamber made of a material transparent to microwave and installed at an angle to the horizontal plane. (RF patent No. 2080747, IPC Н05В 6/64, publ. 05.27.1997).
Известное устройство не может быть использовано для целей термообработки полимерных композиционных материалов, в частности стержней из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры. Известное устройство связано с реализацией конкретного технологического процесса, а именно нагрева сыпучего материала. Для реализации равномерного нагрева используется бегущая волна, которая взаимодействует с сыпучим материалом только в местах пересечения с волноводом. Такое импульсное взаимодействие необходимо для удаления выделяемых паров воды, которые удаляются через торцы рабочей камеры. Периодическое (импульсное) взаимодействие микроволнового излучения с обрабатываемым материалом приводит к большой протяженности микроволновой установки и, следовательно, к большим омическим потерям в стенках меандрового волновода, что приводит к низкому коэффициенту полезного действия микроволновой установки. Кроме того, поток обрабатываемого материала является нагрузкой для микроволнового излучения и большая его часть поглощается обрабатываемым материалом, но куда девается оставшаяся часть микроволновой мощности (неиспользованная энергия микроволнового излучения) из технического решения не ясно. В качестве радиопрозрачного материала в устройстве используется обычное кварцевое стекло, которое не является теплоизоляционным материалом и приводит к потерям тепла через кварцевое стекло в окружающее пространство. Это значительно увеличивает энергетические затраты.The known device cannot be used for heat treatment of polymer composite materials, in particular fiberglass rods for fiberglass reinforcement. The known device is associated with the implementation of a specific process, namely the heating of bulk material. To implement uniform heating, a traveling wave is used, which interacts with bulk material only at the intersection with the waveguide. Such pulsed interaction is necessary to remove the released water vapor, which is removed through the ends of the working chamber. Periodic (pulsed) interaction of microwave radiation with the processed material leads to a large length of the microwave installation and, therefore, to large ohmic losses in the walls of the meander waveguide, which leads to a low efficiency of the microwave installation. In addition, the flow of the processed material is a load for microwave radiation and most of it is absorbed by the processed material, but where the remaining part of the microwave power (unused microwave energy) goes from the technical solution is not clear. As a radio-transparent material, the device uses ordinary quartz glass, which is not a heat-insulating material and leads to heat loss through the quartz glass into the surrounding space. This significantly increases energy costs.
Известно микроволновое устройство для отверждения изделий в виде стержней из стеклопластика с продольным взаимодействием, так как нагреваемый стержень движется в том же направлении в котором распространяется энергии микроволнового излучения. Сформированный стержень из стекловолокна через дроссели поступает в волновод квадратного сечения, выполненного в «U»-конфигурации, который с одной стороны согласован с источником микроволновой энергии (магнетроном), а с другой стороны согласован с резервуаром для поглощения избыточной энергии (водяной нагрузкой). В водяную нагрузку поступает неиспользованная энергия микроволнового излучения. Нагретый до заданной температуры стержень из полимерного композиционного материала выходит через дроссель, который препятствует выходу микроволнового излучения из микроволновой установки. (Патент Великобритании №2245893, МПК Н05В 6/78, В29С 70/50, опубл. 25.01.1995 г., пп. 12-26 формулы изобретения - прототип).A microwave device is known for curing products in the form of fiberglass rods with longitudinal interaction, since the heated rod moves in the same direction in which the energy of microwave radiation propagates. The formed fiberglass rod through the chokes enters the square waveguide made in the “U” configuration, which is on the one hand matched to a microwave energy source (magnetron), and on the other hand matched to a reservoir for absorbing excess energy (water load). Unused microwave energy comes into the water load. A rod of polymer composite material heated to a predetermined temperature exits through a choke, which prevents the exit of microwave radiation from the microwave installation. (Great Britain patent No. 225893, IPC Н05В 6/78, В29С 70/50, published on January 25, 1995, claims 12-26 of the claims - prototype).
В известном устройстве энергия электромагнитного поля распространяется в направлении движения обрабатываемого материала. Подобные микроволновые установки называются установками согласного типа или установками с продольным взаимодействием. Основным недостатком известного устройства является то, что микроволновое излучение взаимодействует только с площадью поперечного сечения стержня в направлении движения обрабатываемого материала, что снижает эффективность взаимодействия. Эта площадь равна π⋅r2, где r - радиус обрабатываемого стержня. Это приводит к длительности взаимодействия (большой длины волноводной системы) для набора требуемой температуры стержня и, следовательно, имеют существенные омические потери в стенках волновода. Кроме того, в устройстве необходимо поддерживать обрабатываемый материал (стержень) по оси волновода, что приводит к наличию дополнительных крепежных элементов.In the known device, the energy of the electromagnetic field propagates in the direction of movement of the processed material. Such microwave installations are called consonant-type or longitudinal interaction units. The main disadvantage of the known device is that microwave radiation interacts only with the cross-sectional area of the rod in the direction of movement of the processed material, which reduces the effectiveness of the interaction. This area is equal to π⋅r2, where r is the radius of the processed rod. This leads to a duration of interaction (a large length of the waveguide system) to set the required temperature of the rod and, therefore, have significant ohmic losses in the walls of the waveguide. In addition, the device must support the processed material (rod) along the axis of the waveguide, which leads to the presence of additional fasteners.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является обеспечение равномерного нагрева полимерного композиционного материала по всему объему, повышение коэффициента полезного действия за счет уменьшения расхода электроэнергии, уменьшение размеров микроволновой установки.The technical problem to which the proposed utility model is aimed is to ensure uniform heating of the polymer composite material throughout the volume, increase the efficiency by reducing energy consumption, and reducing the size of the microwave installation.
Поставленная техническая задача решается тем, что в микроволновом устройстве для термообработки полимерных композиционных материалов, включающем источник микроволнового излучения, устройство для поглощения избыточной энергии и соединенную с источником микроволнового излучения и устройством для поглощения избыточной энергии электродинамическую систему, оснащенную на входе и выходе шлюзами, камеру нагрева, протяженную через электродинамическую систему, согласно предложенной полезной модели, электродинамическая система выполнена в виде работающего на основном типе волны Н10 волновода прямоугольного сечения, изогнутого в форме меандра, при этом длинные волноводные отрезки линии меандра плотно прилегают друг к другу, шлюзы на входе и выходе электродинамической системы выполнены в виде запредельных круглых волноводов, камера нагрева выполнена в виде диэлектрической трубы из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями.The stated technical problem is solved in that in a microwave device for heat treatment of polymer composite materials, including a microwave source, a device for absorbing excess energy and connected to a source of microwave radiation and a device for absorbing excess energy, an electrodynamic system equipped with gateways at the input and output, a heating chamber extended through the electrodynamic system, according to the proposed utility model, the electrodynamic system is made in the form of a rectangular waveguide operating on the main type of wave H10, curved in the shape of a meander, while the long waveguide segments of the meander line are snug against each other, the gateways at the input and output of the electrodynamic system are made in the form of transcendent circular waveguides, the heating chamber is made in the form of a dielectric pipes made of heat-insulating material with low dielectric losses.
Кроме того, диэлектрическая труба проходит через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно его узким стенкам.In addition, a dielectric tube passes through the middle of a wide wall of a rectangular waveguide parallel to its narrow walls.
Кроме того, диэлектрическая труба выполнена из фторопласта.In addition, the dielectric tube is made of fluoroplastic.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении всей совокупности заявляемых существенных признаков, является формирование равномерного без перепадов распределения температуры по всему объему обрабатываемого материала стержня за счет увеличения площади взаимодействия микроволнового излучения и материала стержня и предотвращения теплоотдачи в окружающее пространство, что обеспечивается предложенным конструктивным выполнением устройства.The technical result achieved in the implementation of the totality of the claimed essential features is the formation of a uniform temperature distribution over the entire volume of the processed material of the rod without differences by increasing the area of interaction of microwave radiation and the material of the rod and preventing heat transfer to the surrounding space, which is ensured by the proposed constructive implementation of the device.
Сущность предложенной полезной модели поясняется рисунками, гдеThe essence of the proposed utility model is illustrated by drawings, where
на фиг. 1 представлена конструкция заявляемого устройства;in FIG. 1 shows the design of the claimed device;
на фиг. 2 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при продольном взаимодействии с энергией микроволнового излучения;in FIG. 2 shows the cross section of a rectangular waveguide and the cross section of a rod in longitudinal interaction with the energy of microwave radiation;
на фиг. 3 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при поперечном взаимодействии с энергией микроволнового излучения;in FIG. 3 shows the cross section of a rectangular waveguide and the cross section of a rod in a transverse interaction with the energy of microwave radiation;
на фиг. 4 построена эпюра и структура электрического поля в поперечном прямоугольном сечении волновода для волны типа Н10;in FIG. 4 plotted and structure of the electric field in the transverse rectangular section of the waveguide for a wave of type H 10 ;
на фиг. 5 представлена экспериментальная характеристика распределения температуры на внешней поверхности стержня из полимерного композиционного материала (стекловолокна) для стеклопластиковой арматуры по длине электродинамической системы.in FIG. Figure 5 shows the experimental characteristic of the temperature distribution on the outer surface of a rod made of a polymer composite material (fiberglass) for fiberglass reinforcement along the length of the electrodynamic system.
Рисунок фиг. 1 содержит следующие позиции:The drawing of FIG. 1 contains the following items:
1 - стержень из полимерного композиционного материала1 - rod of polymer composite material
2 - камера нагрева, выполненная в виде диэлектрической трубы2 - a heating chamber made in the form of a dielectric pipe
3 - шлюз в виде запредельного круглого волновода3 - a gateway in the form of a prohibitive circular waveguide
4 - электродинамическая система, выполненная в виде работающего на основном типе волны Н10 волновода прямоугольного сечения, изогнутого в форме меандра4 - electrodynamic system, made in the form of a waveguide of rectangular cross section, operating on the main type of wave H10, curved in the shape of a meander
5 - источник микроволнового излучения5 - source of microwave radiation
6 - устройство для поглощения избыточной энергии (водяная нагрузка).6 - a device for absorbing excess energy (water load).
Предложенное устройство (фиг. 1) для термообработки диэлектрических материалов содержит камеру нагрева 2, электродинамическую систему 4, источник микроволнового излучения 5, устройство для поглощения избыточной энергии (водяную нагрузку) 6. Электродинамическая система 4 с одной стороны согласована с источником микроволнового излучения 5, а с другой стороны согласована с устройством для поглощения избыточной энергии 6 (водяной нагрузкой). На входе и выходе электродинамическая система 4 имеет шлюзы 3 в виде запредельных круглых волноводов.The proposed device (Fig. 1) for heat treatment of dielectric materials contains a
Камера нагрева 2 выполнена в виде диэлектрической трубы, протяженной через электродинамическую систему 1. Диэлектрическая труба проходит через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно его узким стенкам. Выполнение камеры нагрева в виде диэлектрической трубы обеспечивает эффективное отверждение материала стержня 1 из полимерного композиционного материала, а также повышение коэффициента полезного действия микроволновой установки.The
Диэлектрическая труба выполнена из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, предпочтительно из фторопласта.The dielectric pipe is made of heat-insulating material with low dielectric losses, preferably of fluoroplastic.
Фторопласт является не только радиопрозрачным материалом, но и теплоизоляционным, то есть микроволновое излучение проходит через радиопрозрачный материал и поступает в материал стержня (термореактивное полимерное эпоксидное связующее и стеклянные волокна), преобразуется в тепло, а назад тепло выйти не может, так как труба из фторопласта является теплоизоляционным материалом. Таким образом, выполнение диэлектрической трубы из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, в частности из фторопласта, позволяет сохранить и поддержать рабочую температуру процесса термообработки, одновременно обеспечивает экономию расходуемой на нагрев электроэнергию, а также избежать теплоотдачу в окружающее пространство.Ftoroplast is not only a radio-transparent material, but also heat-insulating, that is, microwave radiation passes through a radio-transparent material and enters the core material (thermosetting polymer epoxy binder and glass fibers), is converted into heat, and heat cannot come back, since the pipe is made of fluoroplastic is a heat-insulating material. Thus, the implementation of a dielectric pipe from a heat-insulating material with low dielectric losses, in particular from fluoroplastic, allows you to maintain and maintain the working temperature of the heat treatment process, while also saving energy consumed for heating, as well as avoiding heat transfer to the surrounding space.
Протяженность трубы выбирается из условия выполнения длины трубы такой, чтобы время прохождения по ней обрабатываемого стержня соответствовало бы времени отверждения термореактивного полимерного связующего. Таким образом обеспечивается возможность сохранить после выхода из микроволнового устройства заданную температуру для полного отверждения стержня. Трубка из фторопласта играет роль термоса, что позволяет после набора стержнем заданной температуры поддерживать ее до полного отверждения материала стержня. Это обстоятельство позволяет избежать дополнительных затрат энергии на поддержание заданной температуры в материале стержня.The length of the pipe is selected from the condition that the length of the pipe is fulfilled so that the transit time of the treated rod through it corresponds to the curing time of the thermoset polymer binder. Thus, it is possible to maintain a predetermined temperature after exiting the microwave device for complete curing of the rod. The fluoroplastic tube plays the role of a thermos, which allows the rod to maintain the set temperature until the rod is completely cured. This circumstance avoids additional energy costs for maintaining a given temperature in the material of the rod.
Электродинамическая система 4 представляет собой волновод прямоугольного сечения, работающий на основном типе волны Ню. Для повышения эффективности взаимодействия микроволнового излучения с материалом стержня волновод изогнут в форме меандра. Сформированный стержень 1 из полимерного композиционного материала проходит по диэлектрической трубе 2 через середину широкой стенки волновода прямоугольного сечения параллельно узким стенкам. В этом случае направление распространения энергии микроволнового излучения распространяется перпендикулярно направлению движения обрабатываемого материала. Микроволновое излучение проникает сразу во весь объем стержня вне зависимости от его теплопроводности и вызывает равномерный нагрев сразу всего объема. Таким образом обеспечивается достижение заявленного технического результата, который проявляется при работе устройства в условиях производства стержней из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры.The
На фиг. 2 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при продольном взаимодействии с энергией микроволнового излучения. На фиг. 3 показано поперечное сечение прямоугольного волновода и поперечное сечение стержня при поперечном взаимодействии с энергией микроволнового излучения. В этом случае площадь взаимодействия стержня увеличивается по сравнению с электродинамической системой с продольным взаимодействием, что важно для обеспечения равномерного эффективного отверждения материала стержня из полимерного композиционного материала.In FIG. Figure 2 shows the cross section of a rectangular waveguide and the cross section of a rod during longitudinal interaction with the energy of microwave radiation. In FIG. Figure 3 shows the cross section of a rectangular waveguide and the cross section of a rod during transverse interaction with the energy of microwave radiation. In this case, the area of interaction of the rod increases in comparison with the electrodynamic system with longitudinal interaction, which is important to ensure uniform effective curing of the rod material from the polymer composite material.
Микроволновое устройство работает следующим образом. Сформированный стержень из полимерного композиционного материала 1 по диэлектрической трубе 2 поступает в шлюз в виде запредельного круглого волновода 3. Форма и размеры круглого волновода 3 препятствуют выходу микроволнового излучения из микроволнового устройства и обеспечивают безопасную работу обслуживающего персонала. Затем стержень 1 поступает в электродинамическую систему 4 в виде волновода прямоугольного сечения, изогнутого в виде меандра, протяженностью L.The microwave device operates as follows. The formed rod of polymer
В волноводе, изогнутом в виде меандра, распространяется основная волна типа Н10. Площадь взаимодействия микроволнового излучения в волноводе, изогнутом в виде меандра, с материалом стержня равна 2r⋅b, где b - размер узкой стенки волновода, r - радиус стержня из полимерного композиционного материала.In the waveguide, curved in the form of a meander, the main wave of the type H 10 propagates. The area of interaction of microwave radiation in a waveguide bent in the form of a meander with the rod material is 2r⋅b, where b is the size of the narrow wall of the waveguide, r is the radius of the rod made of a polymer composite material.
Площадь взаимодействия при продольном взаимодействии на этом же типе волны соответствует площади материала стержня ⋅π⋅r2. Если сравнить эти две площади взаимодействия:The interaction area during longitudinal interaction on the same type of wave corresponds to the area of the rod material материалаπ⋅r 2 . If we compare these two areas of interaction:
- при продольном взаимодействии эта площадь составляет 3,14⋅64 мм2 = 200,96 мм2 - with longitudinal interaction, this area is 3.14⋅64 mm 2 = 200.96 mm 2
- при поперечном взаимодействии эта площадь составляет 16⋅45 мм2 = 720 мм2.- in the transverse interaction, this area is 16⋅45 mm 2 = 720 mm 2 .
Таким образом эффективность взаимодействия при поперечном взаимодействии микроволнового излучения в волноводе предложенного конструктивного выполнения с материалом стержня в 3,5 раза выше, чем при продольном взаимодействии, которым характеризуется прототип.Thus, the interaction efficiency in the transverse interaction of microwave radiation in the waveguide of the proposed design with the rod material is 3.5 times higher than in the longitudinal interaction, which is characterized by the prototype.
Волна типа Н10 является основной волной в прямоугольных волноводах, так как она является самой длинноволновой и другие типы волн при этом по волноводу не распространяются. Кроме того этот тип волны легко возбуждается и широко используется в различных устройствах, в частности, в микроволновых бытовых печах (энергия микроволнового излучения через волновод, возбужденный на волне типа Н10 вводится в камеру нагрева).A wave of type H 10 is the main wave in rectangular waveguides, since it is the longest wavelength and other types of waves do not propagate along the waveguide. In addition, this type of wave is easily excited and widely used in various devices, in particular, in microwave household ovens (the energy of microwave radiation through a waveguide excited on a wave of type H 10 is introduced into the heating chamber).
На рисунке фиг. 4 построена эпюра электрического поля в поперечном сечении волновода для волны типа Н10. Видно, что амплитуда напряженности электрического поля имеет максимальное значение в центре широкой стенки волновода. (И.В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ", том 1. Изд-во "Высшая школа", Москва, 1970. (стр. 63-64). Поэтому для максимальной эффективности взаимодействия электромагнитного поля с обрабатываемым материалом необходимо стержень пропускать через середину широкой стенки волновода параллельно узким стенкам. В этом случае обеспечивается равномерное распределение температуры по поперечному сечению стержня, так как диаметр обрабатываемого стержня много меньше широкой стенки волновода. Волноводы прямоугольного поперечного сечения обеспечивают максимальную напряженность электрического поля именно в середине широкой стенки волновода.In the figure of FIG. 4, an electric field diagram is plotted in the cross section of a waveguide for a wave of type H 10 . It is seen that the amplitude of the electric field has a maximum value in the center of the wide waveguide wall. (IV Lebedev, “Microwave Engineering and Instruments,”
Поглощенная мощность материалом стержня прямо пропорционально квадрату амплитуды напряженности электрического поля. Распределение температуры в материале стержня определяется величиной поглощенной мощности. Поэтому прохождение стержня из полимерного композиционного материала через середину широкой стенки волновода параллельно узким стенкам позволяет реализовать максимальную концентрацию энергии микроволнового излучения в материале стрежня.The absorbed power of the rod material is directly proportional to the square of the amplitude of the electric field strength. The temperature distribution in the core material is determined by the amount of absorbed power. Therefore, the passage of a rod of polymer composite material through the middle of a wide waveguide wall parallel to narrow walls allows for the maximum concentration of microwave radiation energy in the rod material.
В частности, в реализованном образце разработанного устройства размер широкой стенки волновода на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц составлял 90 мм, а диметр стержня 8 мм.In particular, in the implemented sample of the developed device, the size of the wide waveguide wall at the frequency of the electromagnetic field of 2450 MHz was 90 mm, and the diameter of the rod was 8 mm.
Приведенный пример только иллюстрирует, но не ограничивает возможные реализации устройства с иными геометрическими размерами.The given example only illustrates, but does not limit possible implementations of the device with other geometric dimensions.
Волновод изгибают в виде меандра таким образом, чтобы не было промежутков между секциями.The waveguide is bent in the form of a meander so that there are no gaps between the sections.
Благодаря предложенному конструктивному выполнению электродинамической системы микроволновое излучение равномерно перераспределяется в меандре и непрерывно взаимодействует с материалом обрабатываемого стержня, что обеспечивает необходимую равномерность нагрева. При этом исключается излучение микроволновой энергия из отверстий волновода при определенных размерах обрабатываемого материала. За счет отсутствия облучения обеспечивается безопасность обслуживающего персонала в отличие от известных аналогов с прерывистым взаимодействием микроволновой энергия с обрабатываемым материалом. Дополнительным преимуществом использования меандрового волновода является возможность сократить протяженность микроволновой установки (уменьшение ее длины), упростить технические решения центровки стержня и диэлектрической трубы из фторопласт, в которой он движется по оси волновода.Due to the proposed design of the electrodynamic system, microwave radiation is evenly redistributed in the meander and continuously interacts with the material of the processed rod, which ensures the necessary uniformity of heating. This excludes microwave energy emission from the waveguide openings at certain sizes of the processed material. Due to the absence of irradiation, the safety of maintenance personnel is ensured, in contrast to the known analogues with intermittent interaction of microwave energy with the processed material. An additional advantage of using a meander waveguide is the ability to reduce the length of the microwave installation (reducing its length), to simplify the technical solutions of alignment of the fluoroplastic rod and dielectric tube, in which it moves along the axis of the waveguide.
В устройстве используется источник микроволновой энергии с выводом в виде прямоугольного волновода на волне типа Н10. Мощность от источника микроволнового излучения 5 поглощается материалом стержня на длине электродинамической системы L в виде волновода прямоугольного сечения, изогнутого в виде меандра. Неиспользованная мощность микроволнового излучения поступает в согласованную водяную нагрузку 6, в которой расположен датчик регистрации проходящей мощности для контроля технологического процесса. На конце электродинамической системы 4 материал стержня 1 приобретает заданное значение температуры +180°С. На выходе из микроволновой установки стержень из полимерного композиционного материала проходит через шлюз в виде запредельного круглого волновода.The device uses a microwave energy source with an output in the form of a rectangular waveguide on a wave of type H 10 . The power from the
Были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых производился нагрев стержня из стекловолокна для стеклопластиковой арматуры диаметром 8 мм от температуры +20°С до температуры +180°С на частоте колебаний электромагнитного поля 2450 МГц (λ=12,24 см) на заявляемом микроволновой устройстве, которое представлена на фиг. 1. В экспериментальных исследованиях использовался волновод поперечным сечением 90 мм × 45 мм, изогнутый в виде меандра. Длина L электродинамической системы составляла 120 см. Мощность источника микроволновой энергии составляла 0,5 кВт, время нагрева в стационарном состоянии составило 72 секунды. На фиг. 4 показано экспериментальное распределение температуры на внешней поверхности стержня по длине электродинамической системы. При движении стержня из стеклопластика через заявляемое микроволновое устройство со скоростью 1 м/мин этот стержень на выходе из микроволнового устройства приобретал температуру +180°С при начальной температуре окружающего пространства и стержня +20°С. Температура внутри стержня составляла +186°С при температуре поверхности стержня +180°С.Experimental studies were conducted, during which the fiberglass rod for fiberglass reinforcement with a diameter of 8 mm was heated from a temperature of + 20 ° C to a temperature of + 180 ° C at an electromagnetic field frequency of 2450 MHz (λ = 12.24 cm) on the inventive microwave device which is shown in FIG. 1. In experimental studies, a waveguide with a cross section of 90 mm × 45 mm curved in the form of a meander was used. The length L of the electrodynamic system was 120 cm. The power of the microwave energy source was 0.5 kW, the heating time in the stationary state was 72 seconds. In FIG. 4 shows the experimental temperature distribution on the outer surface of the rod along the length of the electrodynamic system. When the fiberglass rod moves through the inventive microwave device at a speed of 1 m / min, this rod at the outlet of the microwave device acquires a temperature of + 180 ° C at an initial temperature of the surrounding space and the rod + 20 ° C. The temperature inside the rod was + 186 ° С at the surface temperature of the rod + 180 ° С.
Выражение для амплитуды напряженности электрического поля, которое изменяется по синусоидальному закону для волны типа Н10, можно записать в виде (И.В. Лебедев "Техника и приборы СВЧ", том 1. Изд-во "Высшая школа", Москва, 1970. (стр. 63):The expression for the amplitude of the electric field strength, which varies according to a sinusoidal law for a wave of type H 10 , can be written in the form (I. V. Lebedev "Technique and Microwave Devices",
Выражение для распределения температуры по поперечному сечению стержня, которая пропорциональна распределению мощности (мощность пропорциональна квадрату амплитуды напряженности электрического поля, а распределение температуры по поперечному сечению (оси х) прямо пропорциональна распределению мощности:The expression for the temperature distribution over the cross section of the rod, which is proportional to the power distribution (power is proportional to the square of the amplitude of the electric field, and the temperature distribution over the cross section (x axis) is directly proportional to the power distribution:
Расчет показывает, что неравномерность распределения температуры стержня по поперечному сечению не превышает 2%. При нагреве стержня до температуры +180°С неравномерность распределения температуры по поперечному сечению стержня не превышает 3,6°С (в центре материала стержня максимальное значение температуры +180°С а по диаметру 176,4°С).The calculation shows that the uneven distribution of the temperature of the rod over the cross section does not exceed 2%. When the rod is heated to a temperature of + 180 ° С, the non-uniformity of the temperature distribution over the cross section of the rod does not exceed 3.6 ° С (in the center of the rod material, the maximum temperature is + 180 ° С and 176.4 ° С in diameter).
Использование предложенной полезной модели позволяет обеспечить равномерный нагрев полимерного композиционного материала по всему объему обрабатываемого стержня.Using the proposed utility model allows to ensure uniform heating of the polymer composite material throughout the volume of the processed rod.
Важно отметить и другое преимущество использования заявляемого устройства для термообработки полимерных композиционных материалов, которое состоит в том, что окружающий воздух и металлические конструкции используемого оборудования не нагреваются. Обрабатываемое изделие расположено в трубе из теплоизоляционного материала с малыми диэлектрическими потерями, например, фторопласта, в течение времени, необходимого для нагрева и отверждения полимерного термореактивного эпоксидного связующего, что позволяет снизить энергопотребление технологического процесса ввиду отсутствия теплоотдачи в окружающее пространство, а следовательно, повысить коэффициента полезного действия устройства.It is important to note another advantage of using the inventive device for heat treatment of polymer composite materials, which consists in the fact that the ambient air and metal structures of the equipment used do not heat up. The workpiece is located in a pipe made of a heat-insulating material with low dielectric losses, for example, fluoroplastic, for the time required for heating and curing the polymer thermosetting epoxy binder, which allows to reduce the energy consumption of the process due to the lack of heat transfer to the surrounding space, and therefore to increase the coefficient of useful device actions.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123941U RU185725U1 (en) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018123941U RU185725U1 (en) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU185725U1 true RU185725U1 (en) | 2018-12-17 |
Family
ID=64754319
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018123941U RU185725U1 (en) | 2018-07-02 | 2018-07-02 | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU185725U1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU193907U1 (en) * | 2019-08-07 | 2019-11-21 | федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий" | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS |
| RU203860U1 (en) * | 2020-10-20 | 2021-04-23 | федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт перспективных материалов технологий" | MICROWAVE DEVICE FOR HEAT TREATMENT OF ROD MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2183882C2 (en) * | 1998-01-28 | 2002-06-20 | Тин Филм Электроникс Аса | Method for producing three-dimensional electricity conducting or semiconducting structures and methods for destroying them |
| US20140065664A1 (en) * | 2005-04-05 | 2014-03-06 | Renewave Medical Systems Sa | Microwave devices for treating biological samples and tissue and methods for using the same |
-
2018
- 2018-07-02 RU RU2018123941U patent/RU185725U1/en active
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2183882C2 (en) * | 1998-01-28 | 2002-06-20 | Тин Филм Электроникс Аса | Method for producing three-dimensional electricity conducting or semiconducting structures and methods for destroying them |
| US20140065664A1 (en) * | 2005-04-05 | 2014-03-06 | Renewave Medical Systems Sa | Microwave devices for treating biological samples and tissue and methods for using the same |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU193907U1 (en) * | 2019-08-07 | 2019-11-21 | федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий" | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS |
| RU203860U1 (en) * | 2020-10-20 | 2021-04-23 | федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт перспективных материалов технологий" | MICROWAVE DEVICE FOR HEAT TREATMENT OF ROD MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU185725U1 (en) | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS | |
| Boot et al. | Containment of a fully-ionized plasma by radio-frequency fields | |
| US3715551A (en) | Twisted waveguide applicator | |
| Zhang et al. | Analysis of the power capacity of overmoded slow wave structures | |
| CN105376888B (en) | Tubular choke waveguide applicator | |
| CN105338677A (en) | Pipeline type industrial microwave heating device | |
| US3688068A (en) | Continuous microwave heating or cooking system and method | |
| RU193907U1 (en) | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF POLYMER COMPOSITE MATERIALS | |
| RU68831U1 (en) | DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF SHEET DIELECTRIC MATERIALS | |
| CN205627921U (en) | A microwave - ultraviolet light wave allies oneself with uses device for cured resin | |
| RU203860U1 (en) | MICROWAVE DEVICE FOR HEAT TREATMENT OF ROD MADE OF POLYMER COMPOSITE MATERIAL | |
| Beaudry et al. | Plasma heating by beating of two laser beams | |
| RU83379U1 (en) | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF DIELECTRIC MATERIALS | |
| Brambilla | Accessibility of the lower hybrid resonance in thermonuclear devices | |
| Dvinin et al. | On the theory of microwave discharges excited on the surface of a dielectric antenna | |
| Savostin et al. | Uniform large-sized lumber drying system using MW radiation and basing on a single-wire E00 wave energy transmission line | |
| RU68832U1 (en) | MICROWAVE DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF SHEET DIELECTRIC MATERIALS | |
| RU80714U1 (en) | SUPER HIGH FREQUENCY DEVICE FOR HEATING DIELECTRIC MATERIALS | |
| RU110891U1 (en) | INSTALLATION FOR MICROWAVE PROCESSING MATERIALS WITH VARIOUS DIELECTRIC PROPERTIES | |
| RU2354083C2 (en) | Microwave device for heating dielectric materials | |
| RU78390U1 (en) | SUPER HIGH FREQUENCY DEVICE FOR THERMAL PROCESSING OF SHEET DIELECTRIC MATERIALS | |
| RU2710776C1 (en) | Microwave installation for modification of polymer coatings of internal surfaces of pipes | |
| El-Sayed et al. | Use of Sheath Heiix Slow-wave Structure as an Applicator in Microwave Heating Systems | |
| Rozanov et al. | Dependences of characteristics of fast electrons on laser radiation parameters | |
| Zhang et al. | Numerical Simulation of Temperature Distribution in the Glass Fiber Epoxy Composites during Microwave Curing |